JP2008135441A - Two-dimensional photonic crystal surface-emitting laser and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関し、特に、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、2次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光する2次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a photonic crystal periodic structure that is two-dimensionally arranged in the vicinity of an active layer that emits light by carrier injection. The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that resonates with a crystal and emits surface light, and a manufacturing method thereof.
従来、基板面から垂直方向にレーザ光を出射する面発光レーザが種々開発、研究されている。面発光レーザは同一基板上に多数の素子を集積(アレイ化)でき、各素子からコヒーレントな光が並列的に出射されるため、並列光ピックアップ、並列光伝送、光並列情報処理の分野での用途が期待されている。 Conventionally, various surface emitting lasers that emit laser light perpendicularly from a substrate surface have been developed and studied. Surface-emitting lasers can integrate (array) many elements on the same substrate, and coherent light is emitted in parallel from each element, so in the fields of parallel optical pickup, parallel optical transmission, and optical parallel information processing Applications are expected.
面発光レーザとして、従来、フォトニック結晶を利用した2次元フォトニック結晶面発光レーザが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。フォトニック結晶とは、光の波長と同程度またはより小さい屈折率周期を有する結晶である。2次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、2次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するものである。 Conventionally, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser using a photonic crystal has been proposed as a surface emitting laser (see, for example, Patent Document 1). A photonic crystal is a crystal having a refractive index period that is comparable to or smaller than the wavelength of light. A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has a photonic crystal periodic structure arranged two-dimensionally in the vicinity of an active layer that emits light by carrier injection, and resonates with a photonic crystal to emit surface light. is there.
特許文献1で提案されている2次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶周期構造体は円柱状、楕円柱状あるいは四角柱状に形成されている。図14は、従来の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の一例を示す断面模式図である。図14に示すように、フォトニック結晶周期構造体110aの基板面に対する垂直方向の断面形状は四角形状になっている。この場合、1次回折による光は上方への出射光L1と下方への出射光L2に同じ強度(50%および50%)で分かれる。レーザ光として使用される光は出射光L1、L2のいずれか一方である。そのため、面発光される光の利用効率が低いという問題点を有していた。
In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser proposed in
そこで、面発光される光の利用効率を50%以上に高めるための検討が進められている。図15は、従来の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の他の例を示す断面模式図である。図15に示すように、フォトニック結晶周期構造体110bの基板面に対する垂直方向の断面形状の幅を、主たる発光方向に沿って漸減させる、2次元フォトニック結晶面発光レーザが提案されている(たとえば、特許文献2参照)。
特許文献2で提案されている2次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶周期構造体の形状を円錐形状などとすることで、主たる発光方向(たとえば図15では、基板側から活性層側に向かう基板面の法線方向であって、出射光L1の出射方向)への光の取り出し効率を高めている。しかし、円錐形状を形成するのは困難である。たとえば薄い円柱を、径を変化させながら多段階に形成するという方法で作製することができるが、この場合、その多段階の数に応じて露光プロセスが必要となり、プロセス数が増加するとともに、基板同士を張り合わせる方法を用いなければ作製が困難である。よって、作製工程が複雑かつ多数に渡り、かつ位置合わせが困難であるという問題がある。
In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser proposed in
それゆえに、この発明の主たる目的は、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な2次元フォトニック結晶面発光レーザと、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させた2次元フォトニック結晶面発光レーザの容易な製造方法とを提供することである。 Therefore, the main object of the present invention is to increase the light extraction efficiency in the main light emission direction and the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser capable of increasing the light extraction efficiency in the main light emission direction. It is to provide an easy manufacturing method of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
この発明に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層を備える。また、発光した光を活性層に閉じ込めるガイド層を備える。また、活性層にキャリアを注入するためのクラッド層を備える。活性層は、ガイド層およびクラッド層により挟み込まれるように配置されている。ガイド層またはクラッド層は、2次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を含む。そして、フォトニック結晶周期構造体は、2次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる2種以上の固体材料から構成されている。 The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present invention includes an active layer that emits light by carrier injection. In addition, a guide layer for confining the emitted light in the active layer is provided. A cladding layer for injecting carriers into the active layer is also provided. The active layer is disposed so as to be sandwiched between the guide layer and the clad layer. The guide layer or the clad layer includes a two-dimensionally arranged photonic crystal periodic structure. The photonic crystal periodic structure is composed of two or more kinds of solid materials having different refractive indexes arranged along the emission direction of the emitted light emitted from the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
この場合は、活性層から漏れた光がフォトニック結晶周期構造体によって2次回折(共振)して増幅され、1次回折によってクラッド層から面発光する。フォトニック結晶周期構造体を構成する2種以上の固体材料は、屈折率がガイド層およびクラッド層の屈折率よりも小さいものである。そして、2種以上の固体材料は、異なる屈折率を有しており、かつ出射光の出射方向に沿って並べられている。そのため、フォトニック結晶周期構造体の形状は円柱形状であるにも関わらず、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えられるため、光は特定の方向へより多く1次回折される。したがって、当該方向に1次回折される光を面発光として利用することにより、50%以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。 In this case, the light leaking from the active layer is amplified by second-order diffraction (resonance) by the photonic crystal periodic structure, and surface light is emitted from the cladding layer by the first-order diffraction. Two or more kinds of solid materials constituting the photonic crystal periodic structure have a refractive index smaller than that of the guide layer and the cladding layer. Two or more kinds of solid materials have different refractive indexes and are arranged along the emission direction of the emitted light. Therefore, although the photonic crystal periodic structure has a cylindrical shape, the refractive index felt by the light in the laser is inclined, so that the light is first-order diffracted more in a specific direction. Therefore, by using the light that is first-order diffracted in the direction as the surface emission, a light use efficiency of 50% or more can be obtained. That is, the light extraction efficiency in the main light emission direction can be increased.
好ましくは、2種以上の固体材料が、屈折率の昇順または降順に並べられ配置されている。この場合は、フォトニック結晶周期構造体の屈折率の傾斜を特定の方向に与えることができる。たとえば、屈折率のより小さい固体材料から、屈折率のより大きい固体材料へ向かう方向を、主たる発光方向とすることができる。 Preferably, two or more kinds of solid materials are arranged in an ascending or descending order of refractive index. In this case, the gradient of the refractive index of the photonic crystal periodic structure can be given in a specific direction. For example, a direction from a solid material having a lower refractive index toward a solid material having a higher refractive index can be a main light emitting direction.
この発明に係る2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、基板を準備する工程を備える。また、基板の表面上に、第1半導体層を積層する工程を備える。また、第1半導体層の表面上に、2次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる2種以上の固体材料から構成される、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程を備える。また、フォトニック結晶周期構造体を埋め込ませるように、第1半導体層の表面上に第2半導体層を積層する工程を備える。また、電極を形成する工程を備える。 The manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present invention includes a step of preparing a substrate. Moreover, the process of laminating | stacking a 1st semiconductor layer on the surface of a board | substrate is provided. Also, a photonic composed of two or more kinds of solid materials having different refractive indexes arranged along the emission direction of the emitted light emitted from the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser on the surface of the first semiconductor layer. Forming a periodic crystal structure. In addition, a step of laminating the second semiconductor layer on the surface of the first semiconductor layer so as to embed the photonic crystal periodic structure is provided. Moreover, the process of forming an electrode is provided.
この場合は、フォトニック結晶周期構造体を屈折率の異なる2種以上の固体材料から構成して、屈折率分布を作ることによって、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。この製造方法によれば、1枚の基板の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって2次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができるので、従来の製造方法のように基板同士を張り合わせる方法を用いる必要がない。よって、作製工程を簡略化することができ、その結果、2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造コストの低減を達成することができる。 In this case, it is possible to increase the light extraction efficiency in the main light emitting direction by constructing the refractive index distribution by forming the photonic crystal periodic structure from two or more solid materials having different refractive indexes. A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured. According to this manufacturing method, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured by sequentially stacking semiconductor layers on one surface of a single substrate. There is no need to use a method of pasting together. Therefore, the manufacturing process can be simplified, and as a result, the manufacturing cost of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be reduced.
好ましくは、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程は、一の固体材料を成膜する工程を含む。また、一の固体材料の表面上にレジストを塗布する工程を含む。また、レジストに孔を形成する工程を含む。また、孔の内部に、他の固体材料を成膜する工程を含む。また、レジストを除去する工程を含む。また、孔の内部であった位置に残存する他の固体材料をマスクとして、露出している一の固体材料を部分的に除去する工程を含む。この製造方法によれば、基板同士を張り合わせることなく、1枚の基板の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって2次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。 Preferably, the step of forming the photonic crystal periodic structure includes a step of forming one solid material. Moreover, the process of apply | coating a resist on the surface of one solid material is included. Moreover, the process of forming a hole in a resist is included. Further, it includes a step of depositing another solid material inside the hole. Moreover, the process of removing a resist is included. Further, the method includes a step of partially removing the exposed one solid material using another solid material remaining at the position inside the hole as a mask. According to this manufacturing method, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured by sequentially laminating semiconductor layers on one surface of one substrate without bonding the substrates together.
また好ましくは、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程は、第1半導体層の表面上にレジストを塗布する工程を含む。また、レジストに孔を形成する工程を含む。また、孔の内部に、一の固体材料と他の固体材料とを順に積層する工程を含む。また、レジストを除去する工程を含む。この製造方法によれば、基板同士を張り合わせることなく、1枚の基板の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって2次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。 Preferably, the step of forming the photonic crystal periodic structure includes a step of applying a resist on the surface of the first semiconductor layer. Moreover, the process of forming a hole in a resist is included. Moreover, the process of laminating | stacking one solid material and another solid material in order inside a hole is included. Moreover, the process of removing a resist is included. According to this manufacturing method, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be manufactured by sequentially laminating semiconductor layers on one surface of one substrate without bonding the substrates together.
以上のように、この発明の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。また、この発明の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法によると、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な2次元フォトニック結晶面発光レーザを容易に製造することができる。 As described above, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present invention can increase the light extraction efficiency in the main light emitting direction. Further, according to the method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present invention, it is possible to easily manufacture a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser capable of increasing the light extraction efficiency in the main light emitting direction. it can.
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面模式図である。図1に示すように、この2次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板1を備える。基板1の表面の法線方向に、基板1の一方の表面側に出射する出射光をL1、基板1の他方の表面側に出射する出射光をL2で示している。この場合、出射光L1は出射光L2よりも強度の大きな光である。以下、より強度の大きな光が出射する方向、つまり主たる発光方向側の2次元フォトニック結晶面発光レーザの表面を、主面と称する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser includes a
基板1の表面上の主面側には、第1半導体層21が積層されている。第1半導体層21は、キャリア(すなわち、電子および正孔)の注入により発光する活性層2と、発光した光を活性層2に閉じ込める下部ガイド層3および上部ガイド層4と、活性層2にキャリアを注入するための下部クラッド層5とにより、構成されている。第1半導体層21においては、基板1側から主面側へ向かって、下部クラッド層5、下部ガイド層3、活性層2、上部ガイド層4の順に、積層されている。活性層2は、下部ガイド層3および上部ガイド層4により、挟み込まれるように配置されている。
A
第1半導体層21の表面の主面側には、当該表面が延びる方向に沿って2次元的に配置された、フォトニック結晶周期構造体10aが形成されている。フォトニック結晶周期構造体10aは、屈折率の異なる2種の固体材料11a、11bから構成されている。固体材料11a、11bは、2次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光L1の出射方向に沿って並べられている。この場合、固体材料11aの屈折率は、固体材料11bの屈折率よりも小さい。つまり、2種の固体材料11a、11bは、基板1側から主面側へ向かって屈折率の昇順に並べられ配置されている。屈折率のより小さい固体材料11aから、屈折率のより大きい固体材料11bへ向かう方向が、主たる発光方向となっており、より強度の大きい出射光L1が出射されている。
On the main surface side of the surface of the
また、第1半導体層21の主面側の表面上に、フォトニック結晶周期構造体10aを埋め込ませるように、第2半導体層22が積層されている。第2半導体層22は、活性層2にキャリアを注入するための上部クラッド層6と、コンタクト層7とにより構成されている。第2半導体層22においては、基板1側から主面側へ向かって、上部クラッド層6、コンタクト層7の順に積層されている。活性層2は、下部クラッド層5および上部クラッド層6により、挟み込まれるように配置されている。
In addition, the
フォトニック結晶周期構造体10aを構成する固体材料11aとして、たとえば、SiO2を用いることができ、SiO2の屈折率は、約1.45である。固体材料11bとして、たとえば、Al2O3を用いることができ、Al2O3の屈折率は、約1.76である。固体材料11a、11bの屈折率は、ガイド層およびクラッド層の屈折率よりも小さければよい。そこで、ガイド層およびクラッド層としては、たとえばAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)、GaN(窒化ガリウム)などを採用することができ、これらの屈折率は、約2.5である。
As the
第2半導体層22の主面側の表面には、上部電極9が形成されている。つまり、コンタクト層7は、上部クラッド層6と上部電極9とをつなぐための層として設けられている。上部電極9は、アノード電極とすることができ、たとえば円柱形状や多角柱形状に成形することができる。上部電極9が形成されていない第2半導体層22の主表面側の表面は、光放出領域として機能する。上部電極9の平面的な外形形状は、たとえば後述する2次元フォトニック結晶に合わせた多角形形状とすることができる。また、基板1の主面側と反対側の表面上には、下部電極8が一面に形成されている。下部電極8はカソード電極とすることができる。下部電極8および上部電極9は、金(Au)系電極を用いることができる。この材料に限られるものではなく、活性層2で発生される光に対して透明な導電性の材料を用いることもできる。
The
活性層2は、たとえば、単一の半導体材料により構成することができる。またたとえば、活性層2は、GaN/InGaNなどの半導体材料を用いた多重量子井戸構造とすることができる。つまり、活性層2は、キャリアが注入されると発光する複数の発光部と、複数の発光部を分離するように設けられた分離部とを有することができる。上述のように、下部ガイド層3および上部ガイド層4により活性層2を挟んでダブルヘテロ接合を形成し、活性層2にキャリアを閉じ込めて、発光に寄与するキャリアを活性層2に集中させるようになっている。下部電極8および上部電極9間に電圧を印加することにより活性層2が発光し、活性層2から漏れた光が、フォトニック結晶周期構造体10aが形成する2次元フォトニック結晶に入射する。
The
フォトニック結晶周期構造体10aは、たとえば、第1半導体層21の主面側の表面において、2次元的に正方形を敷き詰めた各頂点に配置され、公知の2次元フォトニック結晶を形成している。つまり、ある1つのフォトニック結晶周期構造体10aと、これと最も近い隣接する4つのフォトニック結晶周期構造体10aとの距離が、等しい値(2次元フォトニック結晶の格子間隔)となるように、配置されている。2次元フォトニック結晶の配置パターンは、正方形を用いて形成される形状に限らず、正三角形や、正六角形を用いて形成されてもよい。2次元フォトニック結晶の格子間隔に波長が一致する光は、2次元フォトニック結晶により共振して増幅される。つまり、フォトニック結晶周期構造体10aは、活性層2において発生された光の波長を規定するように配置される。これにより、第2半導体層22の主面側の表面における、光放出領域から、コヒーレントな光が面発光される。
The photonic crystal
このとき、フォトニック結晶周期構造体10aは、2種の固体材料11a、11bから構成されており、固体材料11a、11bの屈折率はガイド層3、4およびクラッド層5、6の屈折率よりも小さい。固体材料11a、11bは、出射光L1の出射方向に沿って並べられており、当該方向に沿って屈折率の昇順に並べられ配置されている。よって、フォトニック結晶周期構造体10aの形状は、たとえば円柱形状などの、基板面に対する垂直方向の断面形状が四角形となる形状であるにも関わらず、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えることができる。そのため、光は特定の方向(すなわち基板1から主面側へ向かう方向であって、屈折率のより小さい固体材料11aから屈折率のより大きい固体材料11bへ向かう方向)へより多く1次回折される。したがって、当該方向に出射される出射光L1を面発光として利用することにより、50%以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。
At this time, the photonic crystal
次に、2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。図2は、2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の概略を示す流れ図である。図3は、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程の詳細の一例を示す流れ図である。図4は、図2に示す2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の、フォトニック結晶周期構造体を形成する前の各工程の模式図である。図5は、図3に示すフォトニック結晶周期構造体の製造方法の各工程の模式図である。図6は、図2に示す2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の、フォトニック結晶周期構造体を形成した後の各工程の模式図である。図7は、図5(d)のVII−VII線による断面におけるフォトニック結晶周期構造体の断面を示す模式図である。図2〜図7を参照して、2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。なお、以下説明する製造方法において適用される半導体材料および製造技術などは例示であり、本発明はこれに限られるものではない。 Next, a method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser will be described. FIG. 2 is a flowchart showing an outline of a method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. FIG. 3 is a flowchart showing an example of details of the process of forming the photonic crystal periodic structure. FIG. 4 is a schematic diagram of each step before forming the photonic crystal periodic structure in the method of manufacturing the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser shown in FIG. FIG. 5 is a schematic diagram of each step of the method for manufacturing the photonic crystal periodic structure shown in FIG. FIG. 6 is a schematic diagram of each step after forming the photonic crystal periodic structure in the method of manufacturing the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser shown in FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing a cross section of the photonic crystal periodic structure in a cross section taken along line VII-VII in FIG. A method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser will be described with reference to FIGS. In addition, the semiconductor material, manufacturing technique, etc. which are applied in the manufacturing method demonstrated below are illustrations, and this invention is not limited to this.
図2に示すように、まず工程(S100)において、たとえばn型のGaN基板などの、基板1を準備する。次に工程(S200)において、基板1の主面側の表面に、第1半導体層21を積層する。具体的には、たとえばn型のAlGaNからなる下部クラッド層5を積層し、n型のGaNからなる下部ガイド層3を積層し、続いて活性層2を積層し、さらにp型のGaNからなる上部ガイド層4を積層する(図1参照)。第1半導体層21は、たとえばOMVPE法(有機金属気相成長法:Organic Metal Vapor Phase Epitaxy)などのエピタキシャル結晶成長法によって、積層することができる。図4(a)は準備された基板1の模式図、図4(b)は基板1に第1半導体層21が積層された後の模式図である。
As shown in FIG. 2, first, in step (S100), a
なお、基板1の主面側の表面直上にバッファ層を積層し、バッファ層の上に第1半導体層21を積層してもよい。基板上に直接他の層を積層すると結晶性が悪くなる可能性があるが、バッファ層を介在させて第1半導体層を積層すれば、第1半導体層の結晶性を高めることができる。次に工程(S300)において、第1半導体層の表面上に、2次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる2種以上の固体材料から構成される、フォトニック結晶周期構造体10aを形成する。工程(S300)の詳細を、図3に示す。図3に示す各工程に基づいて、フォトニック結晶周期構造体10aを形成する工程の詳細を説明する。
Note that a buffer layer may be stacked just above the surface on the main surface side of the
図3に示すように、工程(S310)において、一の固体材料を成膜する。具体的には、第1半導体層21の主面側の表面(すなわち、上部ガイド層4の主面側の表面)に、たとえばP−CVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)法などの、薄膜原料を反応させて成膜するCVDプロセスによって、たとえば一の固体材料としてのSiO2の膜を厚さ1000Åとして、全面に成膜することができる。図5(a)は一の固体材料11aが成膜された後の模式図である。
As shown in FIG. 3, in the step (S310), one solid material is deposited. Specifically, a thin film material such as a P-CVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) method is reacted with the surface on the main surface side of the first semiconductor layer 21 (that is, the surface on the main surface side of the upper guide layer 4). By the CVD process for forming a film, for example, a film of SiO 2 as one solid material can be formed on the entire surface with a thickness of 1000 mm. FIG. 5A is a schematic view after one
次に工程(S320)において、一の固体材料の表面上の全面に、レジストを塗布する。図5(b)はレジスト31が塗布された後の模式図である。次に工程(S330)において、レジスト31に、たとえばEB(電子ビーム、Electron Beam)露光法などのリソグラフィ技術によって、直径1000Åの円柱形状の孔を、2000Åピッチで正方格子状に(つまり、2次元的に敷き詰められた辺長さ2000Åの正方形の各頂点において)、形成する。図5(c)は孔32が形成された後の模式図である。
Next, in step (S320), a resist is applied to the entire surface of the surface of one solid material. FIG. 5B is a schematic view after the resist 31 is applied. Next, in step (S330), cylindrical holes having a diameter of 1000 mm are formed on the resist 31 in a square lattice pattern (that is, two-dimensional) at a pitch of 2000 mm by lithography technology such as EB (Electron Beam) exposure. At each vertex of a square with a side length of 2000 cm). FIG. 5C is a schematic view after the
次に工程(S340)において、孔32の内部に、他の固体材料を成膜する。たとえばEB(電子ビーム)蒸着法などの真空蒸着法によって、一の固体材料よりも屈折率の大きい他の固体材料としてのAl2O3の膜を厚さ500Åとして、成膜することができる。図5(d)は他の固体材料11bが成膜された後の模式図である。このとき、図7に示すように、他の固体材料11bとしてのAl2O3の厚さが、レジスト31の厚さよりも薄く孔32を完全に閉塞させない厚さとなるように、他の固体材料11bは成膜される。次に工程(S350)において、レジスト31を有機系溶剤で除去し、レジスト31に孔32が形成されていた位置以外に堆積していた他の固体材料11bを除去する、リフトオフが行なわれる。図5(e)はレジストが除去された後の模式図である。レジスト31に形成されていた孔32の内部であった位置に、固体材料11bが正方格子状に配列されている。そして固体材料11bは、固体材料11aの表面上に、直径1000Å、厚さ500Åの円板形状に形成されている。
Next, in the step (S340), another solid material is deposited inside the
次に工程(S360)において、円板形状の他の固体材料11bをマスクとして、露出した一の固体材料11aを部分的に除去する。たとえば、活性ガスとしてフルオロカーボン(たとえばCF4、CHF3など)を用いたRIE(反応性イオンエッチング、Reactive Ion Etching)法などのドライエッチング法によって、露出した一の固体材料11aを除去することができる。図5(f)は一の固体材料が部分的に除去された後の模式図である。第1半導体層21の表面上に、固体材料11a、固体材料11bが積層した直径1000Åの円柱形状が正方格子状に配列され、フォトニック結晶周期構造体10aが形成された状態である。
Next, in step (S360), the exposed one
図2に戻って、次に工程(S400)において、フォトニック結晶周期構造体10aを埋め込ませるように、第1半導体層の表面上に第2半導体層を積層する。たとえば上部クラッド層6を、第1半導体層21の表面上に、フォトニック結晶周期構造体10aを埋め込ませるように積層し、さらにコンタクト層7を積層して、第2半導体層22を構成する(図1参照)。たとえばOMVPE法によって、第2半導体層を積層することができる。図6(a)は、第2半導体層が積層された後の模式図である。第2半導体層22が第1半導体層21の表面上に積層されており、固体材料11a、11bから構成されるフォトニック結晶周期構造体10aは、第2半導体層22によって埋め込まれている。
Returning to FIG. 2, in the next step (S400), the second semiconductor layer is stacked on the surface of the first semiconductor layer so as to embed the photonic crystal
上部クラッド層6の材料としては、p型のAlGaNを用いてもよいが、p型のGaNがより好ましい。フォトニック結晶周期構造体10aを埋め込むように上部クラッド層6を積層するとき、適切に積層しなければ、第1半導体層21の表面直上とフォトニック結晶周期構造体10aの円柱の上部とに、上部クラッド層6の材料が同じ厚みに積層される。その結果、円柱形状が残存し、上部クラッド層6の主面側の表面を平面状に整えることができない。上部クラッド層6の材料としてGaNを用いれば、積層するときに横に広がりやすい成長条件を適用できるので、円柱の上部に積層しないような調整(つまり、積層された上部クラッド層6(第2半導体層22)の上部表面を平坦化するような調整)がより容易である。
As the material of the
次に工程(S500)において、電極を形成する。基板1の主面側と反対側の表面上に、下部電極8が形成され、第2半導体層22の主面側の表面(すなわちコンタクト層7の主面側の表面)に、上部電極9が形成される(図1参照)。図6(b)は、電極が形成された後の模式図である。最後に、工程(S600)において、後処理として所定の寸法に切り出され、2次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
Next, in step (S500), an electrode is formed. The
以上説明したように、この2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法においては、フォトニック結晶周期構造体10aを屈折率の異なる固体材料11a、11bから構成する。固体材料11a、11bを出射光L1の出射方向に沿って屈折率の昇順に並べて配置することで、屈折率分布を作る。これによって、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な2次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。この製造方法によれば、1枚の基板1の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって2次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができるので、従来の製造方法のように基板同士を張り合わせる方法を用いる必要がない。よって、作製工程を簡略化することができ、その結果、2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造コストの低減を達成することができる。
As described above, in this method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the photonic crystal
(実施の形態2)
図8は、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程の詳細の他の例を示す流れ図である。図9は、図8に示すフォトニック結晶周期構造体の製造方法の各工程の模式図である。図10は、図9(c)のX−X線による断面におけるフォトニック結晶周期構造体の断面を示す模式図である。図8〜図10を参照して説明する2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の他の例では、フォトニック結晶周期構造体10aを形成する工程の詳細において、実施の形態1で説明した製造方法とは異なっている。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a flowchart showing another example of the details of the step of forming the photonic crystal periodic structure. FIG. 9 is a schematic diagram of each step of the method for manufacturing the photonic crystal periodic structure shown in FIG. FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross section of the photonic crystal periodic structure in a cross section taken along line XX in FIG. In another example of the manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser described with reference to FIGS. 8 to 10, the details of the process of forming the photonic crystal
具体的には、図8に示すように、工程(S321)において、第1半導体層21の表面直上の全面に、レジストを塗布する。図9(a)はレジスト31が塗布された後の模式図である。次に工程(S331)において、レジスト上に、たとえばEB露光法によって、直径1000Åの円柱形状の孔を、2000Åピッチで正方格子状に形成する。図9(b)は孔32が形成された後の模式図である。
Specifically, as shown in FIG. 8, in step (S <b> 321), a resist is applied to the entire surface immediately above the surface of the
次に工程(S341)において、孔32の内部に、たとえばEB蒸着法によって、一の固体材料としてのSiO2の膜を厚さ500Åとして成膜する。続いて、一の固体材料よりも屈折率の大きい他の固体材料としてのAl2O3の膜を厚さ500Åとして成膜する。図9(c)は一の固体材料11a、他の固体材料11bが成膜され積層された後の模式図である。このとき、図10に示すように、第1半導体層21の主面側の表面に一の固体材料11aとしてのSiO2の膜が成膜されており、一の固体材料11aに積層するように、他の固体材料11bとしてのAl2O3の膜が成膜されている。一の固体材料11aと他の固体材料11bとを積層させた厚さが、レジスト31の厚さよりも薄く孔32を完全に閉塞させない厚さとなるように、一の固体材料11aと他の固体材料11bとは成膜される。
Next, in step (S341), a film of SiO 2 as one solid material is formed in the
次に工程(S351)において、レジストを有機系溶剤で除去し、レジストに孔32が形成されていた位置以外に堆積していた固体材料を除去する、リフトオフが行なわれる。図9(d)はレジストが除去された後の模式図である。第1半導体層21の表面上に、固体材料11a、固体材料11bが積層した直径1000Åの円柱形状が正方格子状に配列され、フォトニック結晶周期構造体10aが形成された状態である。なお、実施の形態2の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法における、フォトニック結晶周期構造体10aを形成する工程の前後の工程については、実施の形態1において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。
Next, in the step (S351), the resist is removed with an organic solvent, and lift-off is performed to remove the solid material deposited other than the positions where the
以上説明した2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の他の例では、フォトニック結晶周期構造体10aを形成する工程において、第1半導体層21の表面にレジスト31が塗布され、レジスト31に形成された孔32の内部に固体材料11a、11bが積層されて円柱形状を成し、フォトニック結晶周期構造体10aを形成する。つまり、実施の形態1に比べて固体材料11aを形成するためのエッチング工程を省略することができるので、2次元フォトニック結晶面発光レーザの作製工程をさらに簡略化することができる。
In another example of the manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser described above, in the step of forming the photonic crystal
(実施の形態3)
実施の形態1および実施の形態2の説明においては、フォトニック結晶周期構造体が2種の固体材料11a、11bによって構成される例を述べているが、3種以上の固体材料によって構成することも可能である。図11は、2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例1を示す断面模式図である。図11においては、フォトニック結晶周期構造体10bは3種の固体材料11a、11b、11cによって構成されており、上部クラッド層6に埋め込まれるように形成されている。固体材料11a、11bおよび11cを出射光L1の出射方向に沿って屈折率の昇順に並べて配置することで、屈折率分布を作る。この構成によって、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えることができ、出射光L1をより強度の大きな光とすることができる。出射光L1を面発光として利用することにより、50%以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。
(Embodiment 3)
In the description of the first embodiment and the second embodiment, an example in which the photonic crystal periodic structure is configured by two types of
なお、固体材料としては、既に例示したSiO2、Al2O3の他に、ジルコニア(ZrO2、屈折率約2.19)や窒化ケイ素(Si3N4、屈折率約2.02)などを用いることができる。固体材料は、フォトニック結晶周期構造体が埋め込まれる半導体材料との屈折率の差が大きいほど好ましい。なお、固体材料が導体であれば、固体材料に光が入っていかず、また周囲の半導体材料の特性が変化するという問題が発生するため、固体材料は半導体または絶縁体であればよい。 As the solid material, besides exemplarily exemplified SiO 2 and Al 2 O 3 , zirconia (ZrO 2 , refractive index of about 2.19), silicon nitride (Si 3 N 4 , refractive index of about 2.02), etc. Can be used. The solid material is preferably as the difference in refractive index from the semiconductor material in which the photonic crystal periodic structure is embedded is larger. Note that if the solid material is a conductor, there is a problem that light does not enter the solid material and the characteristics of the surrounding semiconductor material change. Therefore, the solid material may be a semiconductor or an insulator.
(実施の形態4)
実施の形態1から実施の形態3までの説明においては、フォトニック結晶周期構造体が上部クラッド層6に埋め込まれるように形成される例を述べているが、上部クラッド層6以外のガイド層3、4またはクラッド層5に埋め込まれるように形成されてもよい。図12は、2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例2を示す断面模式図である。図12においては、出射光L1の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる2種の固体材料11a、11bによって構成されるフォトニック結晶周期構造体10cは、下部ガイド層3に埋め込まれるように形成されている。この構成によっても、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えられるため、出射光L1を面発光として利用することにより、50%以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。
(Embodiment 4)
In the description of the first to third embodiments, an example in which the photonic crystal periodic structure is formed so as to be embedded in the
(実施の形態5)
実施の形態1から実施の形態4までの説明においては、屈折率の異なる2種以上の固体材料は、上部電極9側の出射光L1の出射方向に沿って屈折率の昇順に並べられ配置される例を述べているが、当該方向に沿って屈折率の降順に並べられてもよい。図13は、2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例3を示す断面模式図である。図13においては、フォトニック結晶周期構造体10dは上部クラッド層6に埋め込まれるように形成されている。フォトニック結晶周期構造体10dを構成する固体材料11a、11bは、第1半導体層21の表面上に、より屈折率の大きい固体材料11b、より屈折率の小さい固体材料11aの順に並べられている。つまり、2次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光L1の出射方向に沿って、屈折率の異なる2種の固体材料は、屈折率の降順に並べられ配置されている。
(Embodiment 5)
In the description from the first embodiment to the fourth embodiment, two or more kinds of solid materials having different refractive indexes are arranged and arranged in ascending order of the refractive index along the emission direction of the emitted light L1 on the
この構成によっても、フォトニック結晶周期構造体10dは屈折率の異なる2種以上の固体材料から構成され、屈折率分布が作られており、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えることができる。より屈折率の大きい固体材料11bが下部電極8側に並べられているため、下部電極8側の出射光L2がより強度の大きい出射光として、出射されている。そのため、この実施の形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザでは、出射光L2を面発光として利用することにより、50%以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。
Even with this configuration, the photonic crystal
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 基板、2 活性層、3 下部ガイド層、4 上部ガイド層、5 下部クラッド層、6 上部クラッド層、7 コンタクト層、8 下部電極、9 上部電極、10a,10b,10c,10d フォトニック結晶周期構造体、11a,11b,11c 固体材料、21 第1半導体層、22 第2半導体層、31 レジスト、32 孔、101 基板、102 活性層、103 下部ガイド層、104 上部ガイド層、105 下部クラッド層、106 上部クラッド層、107 コンタクト層、108 下部電極、109 上部電極、110a,110b フォトニック結晶周期構造体、L1,L2 出射光。 1 substrate, 2 active layer, 3 lower guide layer, 4 upper guide layer, 5 lower cladding layer, 6 upper cladding layer, 7 contact layer, 8 lower electrode, 9 upper electrode, 10a, 10b, 10c, 10d photonic crystal period Structure, 11a, 11b, 11c Solid material, 21 First semiconductor layer, 22 Second semiconductor layer, 31 Resist, 32 hole, 101 Substrate, 102 Active layer, 103 Lower guide layer, 104 Upper guide layer, 105 Lower cladding layer , 106 upper cladding layer, 107 contact layer, 108 lower electrode, 109 upper electrode, 110a, 110b photonic crystal periodic structure, L1, L2 emitted light.
Claims (5)
発光した光を前記活性層に閉じ込めるガイド層と、
前記活性層に前記キャリアを注入するためのクラッド層とを備え、
前記活性層は、前記ガイド層および前記クラッド層により挟み込まれるように配置されており、
前記ガイド層または前記クラッド層は、2次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を含む、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
前記フォトニック結晶周期構造体は、前記2次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる2種以上の固体材料から構成されていることを特徴とする、2次元フォトニック結晶面発光レーザ。 An active layer that emits light by injecting carriers;
A guide layer for confining the emitted light in the active layer;
A cladding layer for injecting the carriers into the active layer,
The active layer is disposed so as to be sandwiched between the guide layer and the clad layer,
In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, the guide layer or the clad layer includes a two-dimensionally arranged photonic crystal periodic structure.
The photonic crystal periodic structure is composed of two or more kinds of solid materials having different refractive indexes arranged along the emission direction of the emitted light emitted from the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser. A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
基板を準備する工程と、
前記基板の表面上に、第1半導体層を積層する工程と、
前記第1半導体層の表面上に、前記2次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる2種以上の固体材料から構成される、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程と、
前記フォトニック結晶周期構造体を埋め込ませるように、前記第1半導体層の表面上に第2半導体層を積層する工程と、
電極を形成する工程とを備える、2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 A method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser,
Preparing a substrate;
Laminating a first semiconductor layer on the surface of the substrate;
A photonic composed of two or more kinds of solid materials having different refractive indexes arranged along the emission direction of the emitted light emitted from the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser on the surface of the first semiconductor layer. Forming a periodic crystal structure;
Laminating a second semiconductor layer on the surface of the first semiconductor layer so as to embed the photonic crystal periodic structure;
A method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
一の固体材料を成膜する工程と、
前記一の固体材料の表面上にレジストを塗布する工程と、
前記レジストに孔を形成する工程と、
前記孔の内部に、他の固体材料を成膜する工程と、
前記レジストを除去する工程と、
前記孔の内部であった位置に残存する前記他の固体材料をマスクとして、露出している前記一の固体材料を部分的に除去する工程とを含む、請求項3に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 The step of forming the photonic crystal periodic structure includes:
A step of depositing a single solid material;
Applying a resist on the surface of the one solid material;
Forming a hole in the resist;
Depositing another solid material inside the hole; and
Removing the resist;
The two-dimensional photonic according to claim 3, further comprising a step of partially removing the exposed one solid material using the other solid material remaining at a position inside the hole as a mask. Manufacturing method of crystal surface emitting laser.
前記第1半導体層の表面上にレジストを塗布する工程と、
前記レジストに孔を形成する工程と、
前記孔の内部に、一の固体材料と他の固体材料とを順に積層する工程と、
前記レジストを除去する工程とを含む、請求項3に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。 The step of forming the photonic crystal periodic structure includes:
Applying a resist on the surface of the first semiconductor layer;
Forming a hole in the resist;
Laminating one solid material and another solid material in order inside the hole;
The method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 3, comprising a step of removing the resist.
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JP2010161329A (en) * | 2008-12-08 | 2010-07-22 | Canon Inc | Surface-emitting laser including two-dimensional photonic crystal |
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JP2014120774A (en) * | 2012-12-18 | 2014-06-30 | Seoul Viosys Co Ltd | High-efficiency light-emitting diode |
-
2006
- 2006-11-27 JP JP2006318421A patent/JP2008135441A/en not_active Withdrawn
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